JP2019203863A - Wavefront sensor, wavefront measuring device, optical element manufacturing method, and optical system manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子や光学系の波面を計測する波面センサに関する。 The present invention relates to a wavefront sensor that measures a wavefront of an optical element or an optical system.
光学素子や光学系の透過光または反射光の波面計測に、シャック・ハルトマンセンサやタルボ干渉計といった波面センサが用いられている。波面センサは、光束を複数の光に分割する光束分割素子(2次元マイクロレンズアレイや2次元回折格子)と、その複数の光を受光する撮像素子(CMOSやCCD)を備えている。波面センサの計測精度は、光束分割素子と撮像素子の相対位置精度に依存する。 Wavefront sensors such as Shack-Hartmann sensors and Talbot interferometers are used for wavefront measurement of transmitted light or reflected light of optical elements and optical systems. The wavefront sensor includes a light beam splitting element (two-dimensional microlens array or two-dimensional diffraction grating) that splits a light beam into a plurality of lights, and an image sensor (CMOS or CCD) that receives the plurality of lights. The measurement accuracy of the wavefront sensor depends on the relative position accuracy of the light beam splitting element and the image sensor.
特許文献1に開示された波面センサは、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精度よく調整する機構を設けている。
The wavefront sensor disclosed in
特許文献1に開示された波面センサでは、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整することを前提としている。そのため、その精密調整機構及び精密調整工程の分だけ波面センサのコストが高くなる。
The wavefront sensor disclosed in
本発明は、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整する機構及び工程を省いた低コストの波面センサを提供することを例示的な目的とする。 An object of the present invention is to provide a low-cost wavefront sensor that omits a mechanism and a process for precisely adjusting the relative position of a light beam splitting element and an imaging element.
本発明の一実施形態としての波面センサは、被検光を複数の光に分割する光束分割素子と、前記複数の光を受光する撮像素子と、前記撮像素子で受光した前記複数の光の強度分布に基づいて前記被検光の波面を算出する演算手段とを有し、前記光束分割素子と前記撮像素子とが接しており、または、前記光束分割素子と前記撮像素子の間に基準平板ガラスを有し、前記基準平板ガラスが前記光束分割素子と前記撮像素子との両方に接しており、前記演算手段は、前記被検光の波面の算出において、前記光束分割素子と前記撮像素子の相対位置の位置ずれを、特定の軸の周りに回転させる演算により補正することを特徴とする。 A wavefront sensor according to an embodiment of the present invention includes a light beam splitting element that divides test light into a plurality of lights, an imaging element that receives the plurality of lights, and an intensity of the plurality of lights received by the imaging element. Computing means for calculating the wavefront of the test light based on the distribution, wherein the light beam splitting element and the image sensor are in contact, or a reference flat glass between the light beam splitting element and the image sensor And the reference flat glass is in contact with both the light beam splitting element and the image sensor, and the calculating means calculates a relative wavefront of the light beam splitting element and the image sensor in calculating the wavefront of the test light. The positional deviation is corrected by an operation of rotating around a specific axis.
本発明の他の実施形態としての波面計測装置は、光源と、前記光源からの光を被検光学系に入射させる投光系と、上記の波面センサを有することを特徴とする。 A wavefront measuring apparatus according to another embodiment of the present invention includes a light source, a light projecting system for causing light from the light source to enter a test optical system, and the wavefront sensor described above.
本発明の他の実施形態としての光学系の製造方法は、光学系を組み立てるステップと、上記の波面計測装置を用いて前記光学系の波面収差を計測することにより、前記光学系の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする。 An optical system manufacturing method according to another embodiment of the present invention includes: assembling an optical system; and measuring the wavefront aberration of the optical system using the wavefront measuring device described above, thereby improving the optical performance of the optical system. The method includes a step of evaluating.
本発明の他の実施形態としての光学素子の製造方法は、光学素子を加工するステップと、上記の波面計測装置を用いて前記光学素子の波面収差を計測することにより、前記光学素子の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする。 An optical element manufacturing method according to another embodiment of the present invention includes: a step of processing an optical element; and measuring the wavefront aberration of the optical element using the wavefront measuring device described above. The method includes a step of evaluating.
本発明によれば、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整する機構及び工程を省いた低コストの波面センサが得られる。 According to the present invention, it is possible to obtain a low-cost wavefront sensor that omits a mechanism and a process for precisely adjusting the relative position of a light beam splitting element and an imaging element.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明における実施例1の波面センサ100の概略構成を示している。波面センサ100は、光束分割素子(マイクロレンズアレイ)10、基準平板ガラス20、撮像素子(例えばCMOSやCCD)30、演算手段(コンピュータ)80で構成される。撮像素子30の面30a(本実施例では受光部)に対して、水平方向にx軸とy軸が、垂直方向にz軸が定義されている。x軸とy軸の方向は、撮像素子30の画素の2次元配列方向と一致している。撮像素子30の面30aは、z=0の位置にある。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a
光束分割素子10の光入射側の面(第1面)10aはレンズ構造(光束を分割する機能)を有し、光出射側の面(第2面)10bは平面である。基準平板ガラス20の光入射側の面(第1面)20a、光出射側の面(第2面)20bは、ともに平面であり、第1面20aと第2面20bとは平行になっている(第1面20aと第2面20bのなす角度が0.005度以下である)。光束分割素子10の第2面10bと基準平板ガラス20の第1面20aとが接しており、また、基準平板ガラス20の第2面20bと撮像素子30の面30aとが接している。
The light incident side surface (first surface) 10a of the light
波面センサ100に平行光が入射したとき、光束分割素子10の各レンズの集光点がほぼ撮像素子30の面30a上に形成されるように、光束分割素子10の厚みTm及び屈折率Nm、基準平板ガラス20の厚みTp及び屈折率Npを選択する。例えば、数式1を満たすように選択する。
When parallel light is incident on the
ここでfは光束分割素子10の各レンズの焦点距離である。
Here, f is a focal length of each lens of the light
波面センサ100は、光束分割素子10と撮像素子30の相対位置を精密調整する機構を備えていない。さらに、波面センサ100を組み立てるときは、精密調整工程を省略し、光束分割素子10、基準平板ガラス20、撮像素子30が接するように不図示の治具で固定するか、または、接着剤等で固定するだけである。接着剤を使用する場合、接着剤は、各素子が接する面(10bと20a、20bと30a)に塗布するのではなく、側面(光が透過しない面)に塗布する。接着剤を使用する代わりに、オプティカルコンタクトで結合させてもよい。
The
本実施例では、光束分割素子10と撮像素子30が基準平板ガラス20に接することで、光束分割素子10と撮像素子30のz方向の相対位置が高精度に位置決めされている。つまり、光束分割素子10の第1面10aと撮像素子30の面30aの距離が一定である。したがって、従来実施していたz方向の相対位置の精密調整は省くことができる。一方、光束分割素子10のマイクロレンズの配列方向と撮像素子30の画素の配列方向(=x方向、y方向)は、精密調整を省略した影響で一致していない。つまり、光束分割素子10のマイクロレンズの配列方向は、撮像素子30の画素の配列方向に対して、z軸(撮像素子30の面30aに直交する軸)周りに回転している。このz軸(特定の軸)周りの回転による相対位置誤差は、後述する演算処理で補正する。
In the present embodiment, the light
波面センサ100に、ある波面W(x,y)を有する被検光90が入射すると、図1のように、撮像素子30の面30a上に、波面形状に応じた集光スポットが形成される。そして、撮像素子30で集光スポットの強度分布(複数の光の強度分布)が受光される。撮像素子30で受光された強度分布のデータは、コンピュータ80に送られ、各集光スポットの重心座標が計算される。光束分割素子10のi行j列に位置するマイクロレンズの座標を(Xij,Yij,Tm+Tp)、そのレンズによって形成される集光スポットの重心座標を(Xij+δXij,Yij+δXij,0)とすると、数式2の関係式が成り立つ。ただし、φxij、φyijは、各マイクロレンズに入射するx方向、y方向それぞれの入射角である。
When the
各マイクロレンズに入射する光の角度が小さければ、数式2は、数式1を用いて数式3のように近似的に変形できる。
If the angle of the light incident on each microlens is small, Equation 2 can be approximated using
光束分割素子10のマイクロレンズの配列方向と撮像素子30の画素の配列方向とがほぼ一致していると仮定する(つまり、従来通り精密調整した場合)。このとき、光束分割素子10のマイクロレンズの座標Xij,Yijは、数式4のように、x方向とy方向それぞれに光束分割素子30のマイクロレンズの周期(例えばΛ=150μm)で配列された値になる。
Xij=Λj+a
Yij=Λi+b
・・・数式4
It is assumed that the arrangement direction of the microlenses of the light
X ij = Λj + a
Y ij = Λi + b
... Formula 4
ここで、aはx座標のオフセット定数、bはy座標のオフセット定数である。一方、本実施例では、光束分割素子10のマイクロレンズの配列方向が、撮像素子30の画素の配列方向に対してz軸(特定の軸)周りに回転しているので、数式5のように補正をする必要がある。
Here, a is an x-coordinate offset constant and b is an y-coordinate offset constant. On the other hand, in this embodiment, since the arrangement direction of the microlenses of the light
ここで、θzはz軸周りの回転による相対位置誤差である。θzの量は、あらかじめ、波面センサ100に平行光を入射させたときに撮像素子30で測定される集光スポットの重心座標配列から計算しておく。この数式5を、数式2または数式3と組み合わせることで、被検光の波面W(x,y)を算出することができる。精密調整無しでも偶然θzの値が小さいときがある。そのときは、数式5の代わりに数式4を用いてもよい。
Here, θ z is a relative position error due to rotation around the z axis. The amount of theta z is in advance calculated from the centroid coordinate array of the focused spot as measured by
以上のように、本実施例では、光束分割素子10と撮像素子30を基準平板ガラス20に接するように配置することで、光束分割素子10と撮像素子30のz方向の相対位置を高精度に位置決めしている。そして、z軸(特定の軸)周りの回転による相対位置誤差に関しては数式5のような演算で補正することで、精密調整機構及び精密調整工程を省き、低コストの波面センサを実現している。また、本実施例には次のような効果もある。
As described above, in this embodiment, the light
光束分割素子10の有効領域外(≒周辺部)を保持する従来の固定方法では、光束分割素子10の自重変形、応力による変形、熱膨張・熱収縮による変形の影響を受けて、光束分割素子10と撮像素子30のz方向の距離に、非線形な分布が発生することがある。ここで、非線形な分布とは、例えば、有効領域の中央に凹または凸をもつ2次関数(+高次関数)のような分布である。一方、本実施例では、光束分割素子10の全有効領域を基準平板ガラス20が支えているため、上記のような非線形な分布を抑制することができる。つまり、堅牢な波面センサが実現できる。
In the conventional fixing method for holding the outside of the effective region (≈peripheral portion) of the light
本実施例では、光束分割素子10の屈折率Nmと基準平板ガラス20の屈折率Npが異なる(つまり、光束分割素子10と基準平板ガラス20の材質が異なる)前提で説明したが、両者の屈折率(材質)は同じでもよい。その場合、数式2、数式3において、TmにTm+Tpを、Tmに0を代入した式になる。もし、厚みTm+Tpを有する光束分割素子10を製造できるのであれば、基準平板ガラス20は無くてもよい。その場合、光束分割素子10と撮像素子30が直接接していることになる。一般的に、フォトリソグラフィで製作したマイクロレンズアレイは厚みが1mm程度である。光束分割素子10の厚みを増やして基準平板ガラス20を除くためには、例えば、マイクロレンズの焦点距離f〜5mm、マイクロレンズアレイの屈折率Nm〜1.5のとき、厚み〜7.5mm(従来の7、8倍)程度のマイクロレンズアレイを準備する必要がある。
In this embodiment, the refractive index N p of the refractive index N m and
本実施例では、光束分割素子10の第1面10aはレンズ構造、第2面10bは平面としたが、第1面10aが平面で、第2面10bがレンズ構造(もしくは、第1面10a、第2面10bともにレンズ構造)でもよい。その場合、数式1の代わりに、f=Tp/Npを満たす基準平板ガラス20を準備する必要がある。そして、数式2、数式3は、Tmに0を代入した式になる。
In the present embodiment, the
本実施例では、数式5のように、光束分割素子10のマイクロレンズの座標をθz回転させる演算をしているが、その代わりに、各集光スポットの重心座標のずれ量δXij,δXijを−θz回転させてもよい。
In this embodiment, as shown in Equation 5, the calculation of rotating the coordinates of the microlens of the light
本実施例では、波面センサとして、光束分割素子10にマイクロレンズアレイを用いたシャック・ハルトマンセンサを採用したが、代わりにピンホールアレイを用いたハルトマンセンサや、回折格子を用いたタルボ干渉計にしてもよい。波面回復の方法は、本実施例のように各集光スポットの重心座標を計算する方法でもよいし、フーリエ変換法でもよい。
In this embodiment, a Shack-Hartmann sensor using a microlens array as the light
図2は、本発明における実施例2の波面センサ200の概略構成を示している。実施例1と同様の構成については、同一の符号を付して説明する。波面センサ200は、光束分割素子10、基準平板ガラス20、カバーガラス35を有する撮像素子30、コンピュータ80で構成される。本実施例では、カバーガラス35も含めて撮像素子30と定義し、撮像素子30の面30aはカバーガラス(光透過部材)35の面を意味する。カバーガラス35と撮像素子30の受光部30bの間には空気の層があるとする。
FIG. 2 shows a schematic configuration of the
本実施例では、実施例1の構成(図1)に加えてカバーガラス35(厚みTc、屈折率Nc)と空気(厚みTa、屈折率1)の層があるため、実施例1の数式1、数式2のそれぞれに相当するものは、数式6、数式7になる。本実施例の構成においては、数式5と数式7(または数式6のfを数式3に代入した式)を組み合わせることで被検光の波面を算出することができる。
In this example, since there is a layer of cover glass 35 (thickness T c , refractive index N c ) and air (thickness T a , refractive index 1) in addition to the configuration of FIG.
本実施例では、撮像素子30の受光部30bの前方(+z軸方向)にカバーガラス35があるとしたが、カバーガラスの代わりにローパスフィルタや赤外カットフィルタ、もしくは、それら複数の組合せがあってもよい。光束分割素子10の光束分割面10a(レンズや回折格子の構造がある面)から、撮像素子30の受光部30bにいたるまでに、厚みTk、屈折率Nk(k=1,2,・・・,M)の層があるとき、数式6、数式7は数式8、数式9のように一般化される。
In the present embodiment, the
上記の説明では、撮像素子30内において、受光部30bに対してカバーガラス35が平行かつ歪無く取り付けられていると仮定した。しかし、使用する撮像素子によっては、図3の波面センサ201のようにカバーガラス35の取り付け精度が悪い場合もありうる。その場合、光束分割素子10と基準平板ガラス20が撮像素子30の受光部30bに対して傾いた状態になる(x軸周り及びy軸周りの回転による相対位置誤差が生じる)。光束分割素子10の面積が、例えば、15×15mm、基準平板ガラス20の厚みが、例えば5mm程度であれば、光束分割素子10と基準平板ガラス20のセットで構成される部分は、ほぼ歪み無しで配置できる。光束分割素子10を大面積にする場合は、面積に応じて基準平板ガラス20の厚みも大きくすれば歪を抑制できる。
In the above description, it is assumed that the
図3の構成の場合、光束分割素子10の厚みTm、基準平板ガラス20の厚みTp、カバーガラス35の厚みTcは、図2と同様に、場所によらず一定とみなせる(カバーガラス35も、形状が変わるだけで厚みはほぼ一定)。一方、空気の層の厚み(カバーガラス35と受光面30bの間の空気層だけでなく、基準平板ガラス20の第2面20bと撮像素子30の面30aの間の空気層も加算した厚み)は、分布をもつ(Ta=Ta(Xij,Yij)=Taij)。この厚み分布Taijを無視すると、波面算出誤差が発生する。従来では、この分布を取り除くために光束分割素子10を精密調整していたが、本実施例では、精密調整の代わりに空気層の厚みの補正計算(x軸およびy軸を特定の軸とした軸周りの回転による補正演算)をすることで、従来の精密調整機構及び工程を省略する。
In the case of the configuration of FIG. 3, the thickness T m of the light
本実施例の構成では、光束分割素子10と基準平板ガラス20のセットが歪み無く傾いているだけとみなせるので、空気の層の厚み分布Taijは、数式10のように、線形に変化する分布と近似できる。
Taij=Ta+AXij+BYij
・・・数式10
In the configuration of the present embodiment, it can be considered that the set of the
T aij = T a + AX ij + BY ij
...
ここで、A、Bは比例定数、Taは空気層の厚み分布の平均値である。数式10の第2項および第3項は、xy平面内において、y軸からarctan(B/A)回転した軸(撮像素子30の面30aに平行な軸)に関して、arctan(√(A2+B2))回転する補正を加えていることを意味する。この数式10のTaijを、数式7のTaに代入して波面を算出すれば、図3の構成の波面センサにおける波面が得られる。
Here, A, and B proportional constant, T a is the average value of the thickness distribution of the air layer. The second term and the third term of
図4は、実施例1の波面センサ100を用いた波面計測装置1の概略構成を示している。波面計測装置1は、光源50、投光系60、波面センサ100で構成されており、被検物70の波面を計測する。本実施例では、被検物70は複数の光学素子を組み合わせた光学系または単一の光学素子である。
FIG. 4 shows a schematic configuration of the
光源50から射出した発散光は、投光系60で収束し、被検物70に入射する。被検物70を透過した光は、波面センサ100に入射し、被検物70の波面収差90が計測される。この波面収差の計測結果を、光学系や光学素子の製造方法にフィードバックすることができる。光源50としては、例えば、レーザダイオードやLEDが用いられる。投光系60は、例えば、単レンズ、複数レンズ、CGH(Computer−Generated Holography)により構成される。本実施例によれば、光束分割素子と撮像素子の相対位置を精密調整する機構及び工程を省いた波面センサを利用することにより、低コストの波面計測装置を実現することができる。
The diverging light emitted from the
図5は、光学系の製造方法を示している。まず、複数の光学素子を用いて光学系を組み立て、各光学素子の位置を調整する(S11)。組立調整された光学系は、その光学性能が評価され(S12)、精度不足である場合は再度組立調整を行う。この光学性能評価に、実施例1や実施例2の波面センサを備えた波面計測装置1を利用することができる。
FIG. 5 shows a method for manufacturing the optical system. First, an optical system is assembled using a plurality of optical elements, and the position of each optical element is adjusted (S11). The optical performance of the assembled and adjusted optical system is evaluated (S12), and if the accuracy is insufficient, the assembly and adjustment are performed again. For this optical performance evaluation, the
図6は、モールド加工を利用した光学素子の製造方法を示している。光学素子は、光学素子の設計工程(S21)、金型の設計工程(S22)、及び、設計された金型を用いた光学素子のモールド工程(S23)を経て製造される。モールドされた光学素子は、その形状精度が評価され(S24)、精度不足である場合は金型を補正して(S25)再度モールドを行う。形状精度が良好であれば、光学素子の光学性能が評価される(S26)。光学性能が低い場合は、光学面を補正した光学素子を設計し直す(S27)。光学性能が良好である場合は、モールドされる光学素子の量産工程(S28)に進む。この光学性能の評価に波面計測装置1を利用することができる。上記光学素子の製造方法は、モールドに限られず、研削、研磨による光学素子の製造にも同様に適用することができる。
FIG. 6 shows a method of manufacturing an optical element using mold processing. The optical element is manufactured through an optical element design process (S21), a mold design process (S22), and an optical element mold process (S23) using the designed mold. The molded optical element is evaluated for its shape accuracy (S24). If the accuracy is insufficient, the mold is corrected (S25), and the molding is performed again. If the shape accuracy is good, the optical performance of the optical element is evaluated (S26). If the optical performance is low, the optical element whose optical surface is corrected is redesigned (S27). If the optical performance is good, the process proceeds to the mass production process (S28) of the optical element to be molded. The
以上、説明した各実施例は代表的な例に過ぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。 The embodiments described above are merely representative examples, and various modifications and changes can be made to the embodiments when the present invention is implemented.
10 光束分割素子
20 基準平板ガラス
30 撮像素子
80 演算手段
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記複数の光を受光する撮像素子と、
前記撮像素子で受光した前記複数の光の強度分布に基づいて前記被検光の波面を算出する演算手段とを有し、
前記光束分割素子と前記撮像素子とが接しており、または、前記光束分割素子と前記撮像素子の間に基準平板ガラスを有し、前記基準平板ガラスが前記光束分割素子と前記撮像素子に接しており、
前記演算手段は、前記被検光の波面の算出において、前記光束分割素子と前記撮像素子の相対位置の位置ずれを、特定の軸の周りに回転させる演算により補正することを特徴とする波面センサ。 A light beam splitting element that splits the test light into a plurality of lights;
An image sensor for receiving the plurality of lights;
Calculating means for calculating a wavefront of the test light based on an intensity distribution of the plurality of lights received by the imaging device;
The light beam splitting element and the image sensor are in contact with each other, or a reference flat glass is provided between the light beam splitting element and the image sensor, and the reference flat glass is in contact with the light beam splitting element and the image sensor. And
In the calculation of the wavefront of the test light, the calculation means corrects a positional shift between the relative positions of the light beam splitting element and the imaging element by a calculation that rotates around a specific axis. .
前記撮像素子または前記基準平板ガラスは、前記光束分割素子の光出射側の平面に接し、
前記演算手段は、前記光束分割素子の厚み及び屈折率に基づいて前記被検光の波面を算出することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の波面センサ。 The light beam splitting element has a function of splitting a light beam on a light incident side surface, and a light output side surface is a plane,
The image sensor or the reference flat glass is in contact with a light emission side plane of the light beam splitting element,
5. The wavefront sensor according to claim 1, wherein the calculation unit calculates a wavefront of the test light based on a thickness and a refractive index of the light beam splitting element.
前記光束分割素子または前記基準平板ガラスは、前記撮像素子の前記光透過部材と接し、
前記演算手段は、前記光透過部材の厚み及び屈折率に基づいて波面を算出することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の波面センサ。 The image sensor has a light transmitting member on the light incident side of the light receiving unit,
The light beam splitting element or the reference flat glass is in contact with the light transmission member of the imaging element,
The wavefront sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the calculation means calculates a wavefront based on a thickness and a refractive index of the light transmitting member.
前記光源からの光を被検物に入射させる投光系と、
前記被検物から出射した被検光を受光して該被検光の波面を算出する請求項1から8のいずれか1項に記載の波面センサを有することを特徴とする波面計測装置。 A light source;
A light projecting system for causing light from the light source to enter the test object;
9. A wavefront measuring apparatus comprising the wavefront sensor according to claim 1, wherein the wavefront sensor according to any one of claims 1 to 8 calculates a wavefront of the test light by receiving the test light emitted from the test object.
請求項9に記載の波面計測装置を用いて前記光学系の波面収差を計測することにより、前記光学系の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする光学系の製造方法。 Assembling the optical system;
A method for manufacturing an optical system, comprising the step of evaluating the optical performance of the optical system by measuring the wavefront aberration of the optical system using the wavefront measuring apparatus according to claim 9.
請求項9に記載の波面計測装置を用いて前記光学素子の波面収差を計測することにより、前記光学素子の光学性能を評価するステップを含むことを特徴とする光学素子の製造方法。 Processing the optical element;
A method for manufacturing an optical element, comprising the step of evaluating the optical performance of the optical element by measuring the wavefront aberration of the optical element using the wavefront measuring apparatus according to claim 9.
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